Dalelių fizikos standartinis modelis

Kaip mūsų pasaulis veikia subatominiame lygmenyje? Vaizdas per Varsha Y S.

Autorius: Glennas Starkmanas, „Case Western Reserve University“

Standartinis modelis. Koks nuobodiausias vardas tiksliausiai mokslinei teorijai, žinomai žmonėms.

Daugiau nei ketvirtadalis praėjusio amžiaus Nobelio fizikos premijų yra tiesioginiai įnašai į standartinį modelį arba jo rezultatai. Tačiau jo pavadinimas rodo, kad jei galite sau leisti keletą papildomų dolerių per mėnesį, turėtumėte nusipirkti atnaujinimą. Kaip teorinis fizikas, aš teikčiau pirmenybę absoliučiai nuostabiai beveik visko teorijai. Štai koks yra standartinis modelis.

Daugelis prisimena mokslininkų ir žiniasklaidos jaudulį dėl 2012 m. Atradimo Higso bozono. Tačiau tas įvykis, apie kurį daug kalbėta, nebuvo akivaizdus - jis apėmė penkerių dešimtmečių neišmatuotą standartinio modelio seriją. Į ją įeina kiekviena pagrindinė jėga, išskyrus sunkumą. Kiekvienas bandymas jį panaikinti siekiant įrodyti laboratorijoje, kad jis turi būti iš esmės pakeistas - o per pastaruosius 50 metų jų buvo daug - žlugo.

Trumpai tariant, standartinis modelis atsako į šį klausimą: iš ko viskas susideda ir kaip jis susiejamas?

Mažiausi statybiniai blokai

Jūs, žinoma, žinote, kad mus supantis pasaulis yra sudarytas iš molekulių, o molekulės - iš atomų. Chemikas Dmitrijus Mendelejevas suprato, kad tai padarė praėjusio amžiaus šeštajame dešimtmetyje ir visus atomus - tai yra elementus - suorganizavo į periodinę lentelę, kurią tikriausiai mokėtės vidurinėje mokykloje. Tačiau yra 118 skirtingų cheminių elementų. Čia yra stibio, arseno, aliuminio, seleno ir dar 114.

Prasidėjo mūsų kasmetinė minios finansavimo kampanija. Paaukokite viską, ką galite padėti „EarthSky“ tęsti toliau!

Bet šiuos elementus galima suskaidyti toliau. Vaizdas per Rubén Vera Koster.

Fizikams patinka, kad viskas paprasta. Mes norime išgryninti dalykus iki esmės, keletą pagrindinių elementų. Virš šimto cheminių elementų nėra paprasta. Senovės žmonės tikėjo, kad viskas yra pagaminta tik iš penkių elementų - žemės, vandens, ugnies, oro ir eterio. Penki yra daug paprastesni nei 118. Taip pat neteisinga.

Iki 1932 m. Mokslininkai žinojo, kad visi šie atomai yra sudaryti tik iš trijų dalelių - neutronų, protonų ir elektronų. Neutronai ir protonai yra tvirtai sujungti į branduolį. Tūkstančius kartų lengvesni elektronai sukasi aplink branduolį greičiu, kuris artėja prie šviesos. Fizikai Planckas, Bohas, Schroedingeris, Heisenbergas ir draugai išrado naują mokslą - kvantinę mechaniką - kad paaiškintų šį judesį.

Tai būtų buvusi tenkinanti vieta sustoti. Tiesiog trys dalelės. Trys yra net paprastesnės nei penkios. Bet kaip kartu? Neigiamai įkrautus elektronus ir teigiamai įkrautus protonus jungia elektromagnetizmas. Bet visi protonai yra suburti branduolyje, o teigiami jų krūviai turėtų juos stipriai atskirti. Neutralūs neutronai negali padėti.

Kas sieja šiuos protonus ir neutronus kartu? Diviniška intervencija vyras man pasakojo Toronto gatvės kampe; jis turėjo brošiūrą, aš galėjau apie ją viską perskaityti. Bet toks scenarijus atrodė kaip daug problemų net ir dieviškajai būtybei, laikant skirtukus ant kiekvieno Visatos visumos - 10 80 protonų ir neutronų bei juos lenkiant pagal savo norą.

Išplečiant dalelių zoologijos sodą

Tuo tarpu gamta žiauriai atsisakė išlaikyti savo zoologijos sodą tik trimis. Tikrai keturi, nes turėtume suskaičiuoti fotoną, šviesos dalelę, kurią aprašė Einšteinas. Keturių išaugo iki penkių, kai Andersonas išmatuojo elektronus teigiamu krūviu - pozitronai - atsitrenkdami į Žemę iš kosmoso. Bent jau Diracas numatė šias pirmąsias antikūnų daleles. Penki tapo šešeri, kai buvo rastas pionas, kuris, kaip Jukawa spėjo, laikys branduolį kartu.

Tada atėjo monas 200 kartų sunkesnis už elektroną, bet kitaip - dvynys. Kas taip liepė? II Rabi nutilo. Tai apibendrina. Skaičius septyni. Ne tik ne paprastas, nereikalingas.

Iki 1960 m. Buvo šimtai pagrindinių elementų. Vietoje gerai sutvarkytos periodinės lentelės buvo tiesiog ilgi baryonų (sunkiųjų dalelių, tokių kaip protonai ir neutronai), mezonų (kaip Jukos pionai) ir leptonų (lengvųjų dalelių, pavyzdžiui, elektronų, ir sunkiai suvokiamų neutrinų, sąrašai) sąrašai. Be organizacijos ir be pagrindinių principų.

Dėl šio pažeidimo atsirado standartinis modelis. Tai nebuvo vienos nakties spindesys. Nei vienas Archimedas neišlėkė iš vonios, šaukdamas „Ė eureka“. Vietoj to, septintojo dešimtmečio viduryje keletas svarbių asmenų įžvelgė svarbių įžvalgų, kurios pavertė šį karstą paprasta teorija, o po to - penkiais dešimtmečiais eksperimentiniu. patikrinimas ir teorinis parengimas.

Kvarkai. Jų būna šešių rūšių, kurias mes vadiname skoniais. Kaip ir ledai, išskyrus ne tokius skanius. Vietoj vanilės, šokolado ir panašiai, mes turime aukštyn, žemyn, keistai, žaviai, apačioje ir viršuje. 1964 m. Gell-Mann ir Zweig išmokė mus receptų: Sumaišykite ir suderinkite visus tris kvarkus, kad gautumėte baroną. Protonai yra du aukštyn ir žemyn kvarkas, sujungti; neutronai yra du žemyn ir aukštyn. Pasirinkite vieną kvarką ir vieną antikvarą, kad gautumėte mezoną. Pionas yra kvarkas aukštyn arba žemyn, sujungtas su anti-up arba anti-down. Visa mūsų kasdienio gyvenimo medžiaga yra pagaminta tik iš aukštyn ir žemyn kvarkų, antikvarkų ir elektronų.

Standartiniame elementariųjų dalelių modelyje yra ingredientų sąrašas viskam, kas mus supa. Vaizdas per „Fermi“ nacionalinę greitintuvo laboratoriją.

Paprasta. Na, paprasta, nes tų kvarkų laikymas yra žygdarbis. Jie yra susieti vienas su kitu taip stipriai, kad niekada nerasite kvarko ar antivarko. To surišimo teorija ir dalelės, vadinamos gliūnais (gyslomis), kurios yra atsakingos, vadinama kvantine chromodinamika. Tai labai svarbus standartinio modelio kūrinys, tačiau matematiškai sudėtingas, netgi keliantis neišspręstą pagrindinės matematikos problemą. Mes, fizikai, darome viską, kad apskaičiuotume, bet vis tiek mokomės, kaip tai padaryti.

Kitas standartinio modelio aspektas yra „Leptonų modelis“. Tai yra 1967 m. Orientyro Steveno Weinbergo, kuris sujungė kvantinę mechaniką su gyvybiškai svarbiomis žiniomis apie dalelių sąveiką, pavadinimas, ir sujungė jas į vieną teoriją. Jis apėmė žinomą elektromagnetizmą, sujungė jį su tuo, ką fizikai vadino „silpnąja jėga“, sukeliančia tam tikrus radioaktyvius skilimus, ir paaiškino, kad tai yra skirtingi tos pačios jėgos aspektai. Jis įtraukė Higso mechanizmą, suteikiantį masę pagrindinėms dalelėms.

Nuo to laiko standartinis modelis numatė eksperimento rezultatus po eksperimento, įskaitant kelių rūšių kvarkų ir W ir Z bozonų atradimą - sunkias daleles, skirtas silpnai sąveikai, o fotonas - elektromagnetizmui. Septintajame dešimtmetyje nebuvo atsižvelgiama į galimybę, kad neutrinai nėra be masės, tačiau 1990 m., Praėjus keliems dešimtmečiams vėluodami į vakarėlį, jie lengvai įsitvirtino standartiniame modelyje.

CERN dalelių greitintuve užfiksuotas įvykio trimatis vaizdas, rodantis charakteristikas, laukiamas nuo SM Higgso bozono irimo iki fotonų poros (punktyrinės geltonos linijos ir žali bokštai). Vaizdas per McCauley, Thomas; Teiloras, Lukas; skirtas CMS bendradarbiavimo CERN.

Atrasti Higso bozoną 2012 m., Ilgą laiką numatytą „Standard Model“ ir ilgai ieškomo, buvo jaudinantis, bet ne siurprizas. Tai buvo dar viena esminė standartinio modelio pergalė prieš tamsiąsias jėgas, kurias dalelių fizikai ne kartą įspėjo, horizonte. Būdami susirūpinę dėl to, kad standartinis modelis nepakankamai įkūnijo jų lūkesčius dėl paprastumo, nerimavo dėl jo matematinio savarankiškumo ar galvojo apie būtinybę sugrąžinti gravitacijos jėgą, fizikai pateikė daugybę teorijai nepagrįstų standartų pasiūlymų. Modelis. Jie pasižymi įdomiais vardais, tokiais kaip „Grand Unified Theories“, „Supersymmetry“, „Technicolor“ ir „String Theory“.

Deja, bent jau savo šalininkams už standartinio modelio teorijos dar nepavyko numatyti jokio naujo eksperimentinio reiškinio ar jokio eksperimentinio neatitikimo standartiniam modeliui.

Po penkių dešimtmečių, kur nereikia tobulinti, standartinis modelis yra vertas šventimo kaip absoliučiai nuostabi beveik visko teorija.

Glennas Starkmanas, gerbiamas universiteto fizikos profesorius, Case Western Reserve universitetas

Šis straipsnis iš pradžių buvo išspausdintas „The Conversation“. Perskaitykite originalų straipsnį.

Apatinė eilutė: kas yra dalelių fizikos standartinis modelis?

Padėkite „EarthSky“ tęsti veiklą! Paaukokite, ką galite, mūsų metinei minios finansavimo kampanijai.